基于三维激光扫描的采场稳定性分析

2023-11-14李彦军

煤矿现代化 2023年6期

李彦军

（山西省长治市屯留区余泽镇常村煤矿，山西长治 046000）

0 引言

采空区失稳可能引发顶板冒落、片帮、岩爆、矿震和地表沉陷等工程安全问题和植被破坏、田地损毁、水土流失、山体滑坡等生态环境安全问题[1]；如2015年山东省临沂市玉荣石膏矿采空区发生坍塌，造成1人死亡，13 人失踪，直接经济损失4 133 万多元[2]。

钻探法主要是依靠钻探设备、钻具，通过预先设置好的钻孔进行钻孔探测。优点是成像精度高，能够确定布点处采空区的顶板位置和高度，可用于对已有资料与其他物探方法所获得数据进行验证，但缺点是钻探耗费时间长，工作量较大，因而成本高，大多用于定性探测采空区是否存在[3]。

物探法主要分为直流电法类（高密度电法、激电剖面法）、电磁法类（瞬变电磁法、高频大地电磁法）、地震法（浅层反射法、瑞雷面波法）、地质雷达波法等。其中高密度电法适用干富水采空区，但受到地形影响较大，同时其探测结果的体积效应比较明显；电磁法对富水采空区探测效果很好，对低阻反应相当灵敏，缺点是易受到电磁干扰；激电部面法适用干探测黄铁矿等伴随着金矿的硫化物，能够确定金脉的大致范围，确定后期需要勘测的区域；瑞雷面波法探测出的采空区范围较为可靠，并且可以连续测量，但是对地形要求较高，通常需要较为平坦的地形；地质雷达法优点是工作效率高且探测分辨率高，缺点是探测深度较浅，同时易受电磁干扰[4]。

随着日益增大的矿山开采规模使得采空区内部的精确探测越来越重要，传统钻探、物探方法的不足难以适应更加多变、复杂的采空区探测。三维激光扫描系统作为测绘领域新技术革命的典型产物，已在诸多大型矿山采空区探测中得到应用[5]，详见第二部分。

煤矿采空区稳定性是其安全生产运行中的重中之重。常村煤矿2101 采场已开采完毕，但其稳定性未知，可能对临近采场与巷道煤岩稳定性的造成安全隐患，甚至造成地表塌陷，影响地面建筑物和当地经济发展。本文使用便携式三维激光扫描仪完成采空区的精准探测，通过FLAC3D数值软件分析其稳定性。

1 采空区概况

常村煤矿位于山西省长治市屯留县城东北10 km（直距）处的麟绛镇东藕宋庄～上村镇张家庄～渔泽镇南渔泽～路村乡姬村～襄垣县候堡镇段河一带，行政区划归屯留县襄垣县管辖。地理坐标为东经112°54'26″～112°59'29″，北纬36°16'51″～36°26'09″。

为了分析2101 采空区及其邻近巷道围岩的稳定性，本文基于三维激光扫描技术，结合地质资料与前期施工图，建立2101 采空区（图中红线部分）的精准三维几何模型；结合东北大学不久前对常村煤矿相应位置煤岩体的力学测试结果；采用FLAC3D数值软件，分析其稳定性，并提供安全评价。

图1 采空区平面图

2 基于三维激光扫描建立三维模型

2.1 三维激光扫描技术

最近几十年激光作为一门新技术发展起来，推进了测绘技术的进步。继无线电、半导体、电子计算机、原子能、量子物理学等技术之后，激光技术被称为重大的技术发明。经过科学工作者十几年的科学研究，激光技术发展得到很大提升，首先体现在激光测距经历了一维测距、二维测距、三维测距阶段的发展上。其次体现在激光测量精度上，实现了激光测量高精度，无合作目标的测量，并结合电子计算机技术实现了数据的自动和无线传输，由此各式各样的激光设备应运而生，激光技术在多领域得到应用，例如三维激光扫描技术在测绘方向的应用，使得测绘领域在测量工具上有了一个全新的测量技术[6]。

2.1.1 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光技术利用了激光的特性，计算出激光发射和接收的时间差，结合激光的速度可计算出激光发射点与激光反射点的距离S。通过测角系统可以将激光发射点与目标物之间的水平角、垂直角计算出。通过建立被测物体和激光发射点距离、角度关系，确定被测物与激光发射点的相对位置P（x，y，z）。以激光发射点作为被测物三维位置P（x，y，z）的坐标原点；原点竖向定义为Z 轴，向上为正；在仪器扫描横向面中，从原点发出垂直干Z 轴的线定义为X 轴。在仪器横向面中，从原点出发同时垂直干X 轴、Z 轴的射线定义为Y 轴。指向被测物体方向，作为X 轴，Y轴的正方向。

由图2 可知，三维激光扫描系统点云坐标计算公式：

图2 三维坐标计算原理图

式中：S为采样点P 至测站的空间距离；α为横线扫描角度观测值；θ为纵向扫描角度观测值。

2.1.2 三维激光扫描技术的特点及应用

三维激光扫描技术能够对空区进行全自动、全方位的高精度自动扫描，进而获得完整、全面、连续且关联的全景点坐标数据“点云”，通过扫描出的“点云”构建出采空区的“外衣”来最大限度的还原其完整形态并进行三维重建[7]。

相比于传统的采空区测绘方法，其工作效率高、安全性高，可获取的空间数据精度高，可获取的空间数据精度高，并且扫描仪有丰富的数据接口有助于后期各类软件对坐标数据的处理，具有良好的应用前景[8-9]。目前，国内应用的激光探测仪多为进口，国际上主要激光测量系统生产商有英国的MDL 公司、加拿大OPTECH 公司、澳大利亚的I-SITE 公司、美国的CYRA 公司、奥地利的RIEGL公司，德国CALLIDUS公司等[10]。其中国内进口应用较多的为加拿大OPTECH 公司的CMS 系统和英国MDI 公司的C-ALS系统。

在国内，三维激光扫描法作为先进的测绘技术已在空区探测中得到了广泛的应用。原广武等采用CMS 系统对空区进行探测并获得精确数据, 为残矿资源的有效利用提供了依据。彭林等采用C-ALS 三维激光扫描系统对矿山采空区进行了精准探测，建立了空区可视化模型，并且对其进行了稳定性分析。马玉涛等总结C-ALS 三维激光扫描系统的特点与优势，并且在此基础上将其应用到安庆铜矿采空区探测，获取了三维信息，提供了工程参考。黄彬等介绍C-ALS 三维激光扫描系统原理，并将其应用于某金矿的探测，利用获得到的数据在surpac 软件建立模型，计算出空区体积、表面积及空区在X、Y、Z 轴上的最大最小值等数据。

2.1.3 GeoSlam 三维激光扫描系统

本次使用GeoSlam 系统开展工程扫描，其是由GeoSlam 公司研发的三维激光扫描系统，包括硬件ZEB-REVO 便携式三维激光扫描仪和GeoSlam Hub、Geomagic Control、Cloud Compare 等软件部分组成，仪器如图3 所示。

图3 1- 扫描仪；2- 数据采集器

图4 建模流程图

图5 现场测试

ZEB-REVO 便携式三维激光扫描仪可为用户提供简单快捷的三维点云数据获取新方法，用户只需手持该款扫描仪移动穿越需要扫描的区域，即可完成三维扫描工作。和传统的激光扫描技术相比，使用这套设备无需进行复杂的初始定位、整平、放置标靶等多项准备工作。ZEB-REVO 工作量程100 m，距离精度30 mm，量角水平方向270，垂直方向360，能够每秒采集43 200 个点，分辨率可达0.625°。

使用GeoSlam 系统软件建模，GeoSlam Hub 是集成了Slam 算法的点云数据解算软件，可将采集到的数据解算为空间点云数据。Cloud Compare 和Geomagic Control 软件，可对空间点云数据进行释希、降噪、去除孤立点，生成三维实体，支持对点和三维实体的编辑，具体建模流程如下。

2.2 测试过程与结果

在系统调试与验证分析后，东北大学测试团队于对2101 采空区开展了探测。实验前常村煤矿地测科在相应区域打了4 个直径90 mm 的观测孔（图2中红色虚线），并在孔内放置了套管，以防止孔壁坍塌造成钻孔堵塞。

依据三维激光扫描的结果，依次在Cloud Compare 和Geomagic Control 中进行处理，获得了复杂采空区的三维模型。巷道长200 m，与采空区相距20 m；采空区长200 m，宽290 m，高度在2.8～4.5 m区间，具体参见图6。

图6 采空区模型图

图7 三维几何模型

3 三维数值模型仿真分析

3.1 三维模型

以常村煤矿2101 采空区为研究背景，根据三维激光扫描结果，建立了采区的三维几何模型，模型尺寸为：500 m×140 m×200 m（长×高×宽，X 为水平方向，Y 方向为竖直方向），节点共计47 606 个，单元96 830 个。模型内包含一个采场空区与一条巷道，采场与巷道间距为20 m。该模型各边界为法向约束，模型竖直方向为自重应力，侧向压力系数为0.8（参考常村煤矿区域构造应力分布规律）。

3.2 岩体参数

此次计算煤层上部和下部砂岩为摩尔- 库伦本构模型，煤层采用RDM 劣化岩体模型，该模型可以考虑岩体在峰后力学行为，能够分析大变形问题，参数取自之前的测试结果，具体见表1。

表1 模型计算参数

3.3 三维计算结果与分析

结合巷道开挖和采场掘进2 个阶段，从位移场、应力场和塑性区分布3 个评价指标，对煤岩体稳定性进行评价。

3.3.1 位移场分析

巷道掘进后：围岩水平变形0.77～1.1 cm，两帮中间部位变形较大；顶板竖向变形1.1～1.5 cm，主要集中顶板中部；巷道围岩总体变形最大值约为1.55 cm。采场开采后：煤体水平变形3.7～4.4 cm，顶板竖向变形5.75～6.5 cm，巷道围岩总体变形最大值约为6.55 cm；2 个阶段的竖直变形均大于水平变形，具体见图8 和9。